Гамма-лазер, який змінить світ і уможливить міжзоряні подорожі: чого домоглися фізики

У 50-х роках минулого століття фізик Ойген Зенгер висунув гіпотезу, що якби матерію можна було повністю перетворити на частинки світла або фотони, то самі фотони могли б стати джерелом енергії для розгону ракети до міжгалактичних швидкостей. Але тоді це вважалося фантастикою, а за останні роки ця гіпотеза знову набула популярності. Щоб створити ідеальний лазер, група вчених займається розробкою технології, яка могла б підтримувати когерентні гамма-промені, найенергійнішу форму світла в нашому Всесвіті. Якщо фізики зможуть створити когерентні гамма-промені так само, як звичайний лазер виробляє когерентні промені видимого світла, то ця технологія могла б відкрити міжзоряні подорожі. Хоча гамма-лазер все ще є концепцією, він вважається однією з найважливіших проблем у фізиці, пише Popular Mechanics.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Проблема гамма-лазерів

Гамма-промені, які людина не може побачити, виникають під час вибухів наднових, а також їх випромінюють нейронні зірки з сильним магнітним полем — пульсари. Гамма-промені рухаються через космос зі швидкістю світла і мають найменші довжини хвиль та найвищу частоту, а тому потрапляють до крайньої частини електромагнітного спектра. З моменту винаходу першого лазера 1961 року вчені дізналися, як стабілізувати гамма-промені в когерентний пучок, що є необхідним кроком на шляху до розробки будь-якої лазерної технології.

Традиційний лазер збуджує електрони в газі, рідині або твердому тілі для випуску когерентного випромінювання. Фотонні випромінювання синхронізовані одне з одним і разом створюють сильніший ефект. Це відрізняється від світла, яке випромінює лампа розжарювання, тому що її випромінювання не когерентне або випадкове, залежно від того, які атоми збуджені в будь-який момент. Щоб створити когерентне гамма-випромінювання, фізики повинні маніпулювати величезною кількістю атомних ядер, щоб вони перебували у збуджених станах, відомих як ізомери.

Вченим необхідно дослідити, що відбувається, коли щільні пучки швидких електронів стикаються з сильним лазерним полем, щоб випустити високоенергетичне світло. Саме цим зараз займаються фізики з Університету Рочестера, США, разом із вченими з дослідницького центру ELI Beamlines у Чехії. За словами вчених, вони не перші, хто намагався створювати гамма-промені таким чином. Але в новому дослідженні використовується квантова електродинаміка, яка є передовим підходом до вирішення цієї проблеми.

Фізики проаналізують, як один або два електрони випромінюють світло. Зрештою вони сподіваються працювати з багатьма електронами, щоб виробляти когерентні гамма-промені. Якщо вчені дізнаються, як підтримувати когерентність і стабільність променя протягом тривалих періодів часу, гамма-промені можуть стати новим джерелом енергії для створення антиматерії. Це матерія, що має протилежний електричний заряд.

Гамма-лазери та міжзоряні подорожі

Нове дослідження ґрунтується на більш ранніх наукових роботах, у яких вивчали когерентне гамма-випромінювання. Наприклад, у 2012 році група фізиків запропонувала приводити космічний корабель у рух за допомогою гігаелектронвольтного гамма-лазера. Тобто це проєкт фотонної ракети, яка працює за рахунок знищення матерії та антиматерії, як і пропонував Зенгер. Учені припустили, що цю ідею можна втілити в життя.

Принцип роботи полягає в наступному. Протони й антипротони знищуватимуть один одного, створюючи потужний сплеск гамма-випромінювання. Потім сфокусований лазерний промінь концентрованого гамма-випромінювання буде запущений усередині космічного корабля і створить "фотонну лавину". Магнітне поле поглинатиме імпульс віддачі променя і передаватиме його космічному кораблю, забезпечуючи йому тягу.

У 2020 році, фізики в іншому дослідженні гамма-променів для приведення в рух космічної ракети запропонували способи використання водневого палива для генерації необхідної потужності.

Коли люди зможуть потрапити в сусідню галактику?

Але перед тим, як люди зможуть вирушити в сусідню галактику за допомогою космічних кораблів, що працюють на гамма-променях, ученим необхідно подолати проблему когерентності променя. У 2019 році американські фізики провели експеримент із позитронієм (містить позитрони, тобто антиподи електронів і електрони) і надтекучим рідким гелієм. Це форма гелію, схожа на надпровідник, без опору, в'язкості або тертя. Гелій забезпечив захист для позитронія. Взаємодія позитронів створювала гамма-промені, якщо вони залишалися в квантовому стані, відомому як конденсат Бозе-Ейнштейна.

Однією з проблем розроблення і стабілізації гамма-випромінювальних ізомерів є те, що вони занадто швидко випускають свою енергію, щоб підтримувати велику популяцію ізомерів одночасно. На щастя, деякі ізотопи хімічних елементів можуть забезпечувати більш енергійні гамма-промені з меншими витратами енергії для підтримки своїх ізомерів, і фізики розглядають їх як потенційне розв'язання проблеми когерентного пучка.

Гамма-лазер наступного покоління, можливо, не дасть змоги людям у найближчі десятиліття потрапити до сусідньої галактики Андромеди, але якщо буде створено базову технологію, то ця подорож може стати можливою у більш віддаленому майбутньому.

Як уже писав Фокус, астрономи розповіли, скільки насправді існує галактик у Всесвіті. Проблема в тому, що вчені можуть бачити лише невелику частину Всесвіту, а тому більш точні оцінки стосуються саме цієї ділянки космосу.